Autor: Michał Kubrak
Hydraulika jako czynnik kształtujący biofilm
Biofilm w instalacjach wodociągowych obiektów ochrony zdrowia jest zjawiskiem powszechnym, którego w praktyce nie da się całkowicie wyeliminować. Mikroorganizmy obecne w wodzie pitnej, nawet spełniającej wymagania sanitarne, mają naturalną zdolność do osadzania się na powierzchniach materiałów przewodów i tworzenia złożonych struktur biologicznych [1]. Przez wiele lat zagadnienie to analizowano głównie w kontekście jakości wody, temperatury oraz rodzaju materiału rur, natomiast warunki hydrauliczne traktowano jako czynnik drugorzędny.
Wyniki badań prowadzonych w ostatnich latach pokazują jednak wyraźnie, że hydraulika instalacji ma zasadnicze znaczenie dla rozwoju biofilmu. Prędkość przepływu, forma ruchu wody (laminarna lub turbulentna) oraz wynikające z nich naprężenia ścinające wpływają zarówno na możliwość inicjacji biofilmu, jak i na jego późniejszą strukturę, aktywność biologiczną oraz stabilność mechaniczną. Co szczególnie istotne z punktu widzenia inżyniera, wpływ ten nie ma charakteru prostego ani liniowego, a jego skutki bywają nieintuicyjne.
Inicjacja biofilmu w warunkach przepływu
Proces tworzenia biofilmu rozpoczyna się od adhezji pojedynczych komórek bakteryjnych do powierzchni materiału wewnętrznej ścianki przewodu. Badania prowadzone w kontrolowanych warunkach przepływu wykazały, że już na tym wczesnym etapie naprężenia ścinające mogą decydować o tym, czy bakterie są w stanie trwale osiąść na danej powierzchni. W eksperymentach laboratoryjnych realizowanych w przewodach o ściśle zdefiniowanej geometrii i polu prędkości zaobserwowano istnienie krytycznego poziomu naprężeń ścinających, powyżej którego bakterie nie były w stanie inicjować biofilmu bezpośrednio na dnie przewodu [2].
W takich warunkach kolonizacja powierzchni nie zanikała całkowicie, lecz przyjmowała inną formę. Biofilm zaczynał rozwijać się w obszarach o lokalnie obniżonych naprężeniach ścinających, które powstają w wyniku nieciągłości geometrycznych układu. Zjawisko to pokazuje, że wysoka prędkość przepływu może ograniczać inicjację biofilmu na gładkich, prostych odcinkach przewodów, jednocześnie sprzyjając jego lokalizacji w fragmentach instalacji, w których geometria przewodów prowadzi do lokalnego osłabienia oddziaływań hydraulicznych [3].
Prędkość przepływu a ilość biofilmu
W praktyce inżynierskiej często zakłada się, że zwiększenie prędkości przepływu prowadzi do ograniczenia ilości biofilmu. Wyniki badań prowadzonych na stanowiskach eksperymentalnych symulujących warunki pracy instalacji wodociągowych pokazują jednak, że zależność ta jest bardziej złożona. W szerokim zakresie prędkości przepływu maksymalna ilość biofilmu w stanie ustalonym może pozostawać na zbliżonym poziomie, a wyraźny spadek biomasy obserwowany jest dopiero przy wyższych prędkościach, gdy oddziaływania mechaniczne zaczynają dominować nad procesami wzrostu [4].
Oznacza to, że samo zwiększanie prędkości przepływu nie gwarantuje proporcjonalnego ograniczenia biofilmu. W wielu przypadkach prowadzi ono raczej do zmiany jego struktury niż do jego eliminacji. Z punktu widzenia projektowania i eksploatacji instalacji wodociągowych jest to istotna informacja, ponieważ sugeruje, że skuteczność działań opartych wyłącznie na „wymuszaniu przepływu” może być ograniczona.
Aktywność biologiczna biofilmu a warunki hydrauliczne
Jednym z kluczowych wniosków płynących z badań nad wpływem hydrauliki na biofilm jest rozróżnienie pomiędzy ilością biomasy a jej aktywnością biologiczną. W warunkach wyższych prędkości przepływu biofilm staje się zazwyczaj cieńszy i bardziej zwarty, co skutkuje mniejszą ilością biomasy związanej z powierzchnią. Jednocześnie jednak obserwuje się wzrost tempa metabolizmu i namnażania się komórek bakteryjnych wewnątrz biofilmu [5].
Zjawisko to wynika z poprawy transportu masy do wnętrza struktury biofilmu. Krótsze drogi dyfuzji oraz lepszy dopływ tlenu i składników odżywczych sprzyjają intensywniejszej aktywności biologicznej, mimo że całkowita ilość biofilmu jest mniejsza. W praktyce oznacza to, że cienki biofilm rozwijający się w warunkach intensywnego przepływu może być biologicznie bardziej aktywny niż grubszy biofilm powstający w warunkach spokojnych.
Biofilm w stanie dynamicznej równowagi
Naprężenia ścinające oddziałują na biofilm w sposób dwojaki. Z jednej strony sprzyjają jego zagęszczaniu i zwiększeniu spójności mechanicznej, z drugiej zaś prowadzą do ciągłego odrywania fragmentów biomasy. W warunkach intensywnego przepływu biofilm nie znika, lecz osiąga stan dynamicznej równowagi, w którym tempo wzrostu i tempo odrywania komórek są porównywalne.
Z punktu widzenia instalacji wodociąowych obiektów ochrony zdrowia ma to szczególne znaczenie. Oderwane fragmenty biofilmu mogą być transportowane wraz z nurtem wody do dalszych części systemu, stając się potencjalnym źródłem wtórnego skażenia [5,6]. Ograniczenie ilości biofilmu w jednym miejscu nie musi więc oznaczać poprawy jakości mikrobiologicznej w całej instalacji.
Stagnacja i zmienność przepływu jako czynnik ryzyka
Szczególnie sprzyjające rozwojowi biofilmu są warunki stagnacji oraz bardzo niskich prędkości przepływu. W takich sytuacjach biofilm może narastać do znacznych rozmiarów, choć często charakteryzuje się luźną strukturą i słabym związaniem z podłożem [7]. Po ponownym uruchomieniu przepływu dochodzi wówczas do intensywnego odrywania biomasy, co może skutkować chwilowym, lecz znaczącym pogorszeniem jakości wody.
Zmienność warunków hydraulicznych, typowa dla wielu instalacji w obiektach ochrony zdrowia, dodatkowo komplikuje ten obraz. Okresowe użytkowanie części instalacji sprzyja cyklicznemu narastaniu i odrywaniu biofilmu, co utrudnia jego kontrolę i zwiększa ryzyko niepożądanych zdarzeń mikrobiologicznych.
Znaczenie hydrauliki w kontroli biofilmu
Analiza wyników badań nad wpływem warunków hydraulicznych na rozwój biofilmu pokazuje, że zależności pomiędzy przepływem a procesami mikrobiologicznymi w instalacjach wodnych są złożone i często niejednoznaczne. Zarówno prędkość przepływu, jak i związane z nią naprężenia ścinające mogą jednocześnie ograniczać inicjację biofilmu i sprzyjać jego stabilizacji w innych obszarach instalacji, a ich oddziaływanie zależy od etapu rozwoju biofilmu, geometrii przewodów oraz historii eksploatacji systemu. W świetle dostępnych danych nie można więc wskazać jednego „optymalnego” reżimu hydraulicznego, który w sposób uniwersalny zapobiegałby rozwojowi biofilmu.
Na tym tle stagnacja wyróżnia się jako czynnik, którego negatywny wpływ na rozwój biofilmu jest potwierdzany w sposób konsekwentny. Brak przepływu sprzyja zarówno inicjacji adhezji bakteryjnej, jak i akumulacji biomasy o luźnej, mechanicznie niestabilnej strukturze. Szczególnie istotne jest przy tym to, że przejście ze stanu stagnacji do ponownego przepływu wiąże się z intensywnym uwalnianiem fragmentów biofilmu do wody, co może prowadzić do chwilowego, lecz znaczącego pogorszenia jej jakości mikrobiologicznej w dalszych częściach instalacji.
Z perspektywy inżynierskiej oznacza to, że kontrola biofilmu w instalacjach wodociągowych obiektów ochrony zdrowia nie polega na jego eliminacji, lecz na świadomym ograniczaniu ryzyka związanego z jego obecnością. W warunkach braku jednoznacznych wytycznych dotyczących korzystnych parametrów przepływu, unikanie stagnacji pozostaje jednym z nielicznych elementów strategii hydraulicznej, którego zasadność znajduje spójne potwierdzenie w badaniach. Uwzględnienie tego faktu na etapie projektowania i eksploatacji instalacji może nie rozwiązać problemu biofilmu, ale pozwala ograniczyć jego najbardziej niepożądane skutki, co w obiektach ochrony zdrowia ma znaczenie fundamentalne.
Literatura
1. Papciak, D.; Tchórzewska-Cieślak, B.; Domoń, A.; Wojtuś, A.; Żywiec, J.; Konkol, J. The Impact of the Quality of Tap Water and the Properties of Installation Materials on the Formation of Biofilms. Water 2019, 11, 1903, doi:10.3390/w11091903.
2. Cowle, M.W.; Webster, G.; Babatunde, A.O.; Bockelmann-Evans, B.N.; Weightman, A.J. Impact of Flow Hydrodynamics and Pipe Material Properties on Biofilm Development within Drinking Water Systems. Environmental Technology 2020, 41, 3732–3744, doi:10.1080/09593330.2019.1619844.
3. Thomen, P.; Robert, J.; Monmeyran, A.; Bitbol, A.-F.; Douarche, C.; Henry, N. Bacterial Biofilm under Flow: First a Physical Struggle to Stay, Then a Matter of Breathing. PLoS ONE 2017, 12, e0175197, doi:10.1371/journal.pone.0175197.
4. Tsai, Y.-P. Impact of Flow Velocity on the Dynamic Behaviour of Biofilm Bacteria. Biofouling 2005, 21, 267–277, doi:10.1080/08927010500398633.
5. Krsmanovic, M.; Biswas, D.; Ali, H.; Kumar, A.; Ghosh, R.; Dickerson, A.K. Hydrodynamics and Surface Properties Influence Biofilm Proliferation. Advances in Colloid and Interface Science 2021, 288, 102336, doi:10.1016/j.cis.2020.102336.
6. Stoodley, P.; Dodds, I.; De Beer, D.; Scott, H.L.; Boyle, J.D. Flowing Biofilms as a Transport Mechanism for Biomass through Porous Media under Laminar and Turbulent Conditions in a Laboratory Reactor System. Biofouling 2005, 21, 161–168, doi:10.1080/08927010500375524.
7. Pereira, M.O.; Kuehn, M.; Wuertz, S.; Neu, T.; Melo, L.F. Effect of Flow Regime on the Architecture of a Pseudomonas Fluorescens Biofilm. Biotech & Bioengineering 2002, 78, 164–171, doi:10.1002/bit.10189.